具有高效可見(jiàn)光催化活性的氮摻雜二氧化鈦的制備及活性起源的研究.pdf

1、隨著全球能源消費(fèi)的不斷增加和環(huán)境污染的日益加劇，能夠充分利用太陽(yáng)光的高效光催化劑受到了人們的廣泛關(guān)注。非金屬氮摻雜的二氧化鈦因具有較強(qiáng)的可見(jiàn)光催化活性而被譽(yù)為第二代光催化劑。然而，人們迄今并未就氮摻雜二氧化鈦可見(jiàn)光活性的內(nèi)在本質(zhì)達(dá)成共識(shí)；針對(duì)其可見(jiàn)光活性影響因素的研究以及提高其可見(jiàn)光催化活性途徑的研究均有待于深入。鑒于此，本文作者以納米管鈦酸為原料制備了具有較強(qiáng)可見(jiàn)光催化活性的氮摻雜二氧化鈦，并利用熒光光譜儀、紫外-可見(jiàn)-近紅外擴(kuò)散反射

2、譜儀(UV-Vis-NIR DRS)、電子自旋共振譜儀（ESR）及X射線光電子能譜儀（XPS）深入探討了氮摻雜二氧化鈦產(chǎn)生可見(jiàn)光活性的機(jī)制，取得了如下主要研究結(jié)果和結(jié)論：
　　 1.通過(guò)在氨氣氣氛中不同溫度下處理納米管鈦酸(記為NTA)和P25 二氧化鈦，分別制得了具有可見(jiàn)光催化活性的氮摻雜二氧化鈦N-NTA(400-700)和N-P25系列催化劑，利用丙烯光催化降解反應(yīng)評(píng)價(jià)了催化劑的活性，并利用ESR和XPS分析了催化劑的結(jié)構(gòu)

3、。結(jié)果表明，N-NTA系列催化劑的活性遠(yuǎn)比N-P25系列催化劑的高。這是由于N-NTA系列催化劑含有大量束縛單電子的氧空位缺陷(Vo?)，而以NO 形式摻雜的氮元素對(duì)氮摻雜二氧化鈦可見(jiàn)光催化活性起促進(jìn)作用所致?？傮w而言，N-NTA的可見(jiàn)光催化活性源于子能帶和氮摻雜導(dǎo)致的表面電子陷阱的形成。
　　 2.在空氣氣氛中處理NTA 得到含有氧空位的二氧化鈦（記為A-NTA-400）；對(duì)比分析了N-NTA-400和A-NTA-400 樣品

4、在可見(jiàn)光和紫外光激發(fā)下的熒光光譜。結(jié)果表明，N-NTA-400 樣品除了體相含有大量的束縛單電子的氧空位外，表面還存在被氮元素穩(wěn)定的電子俘獲陷阱；而A-NTA-400 樣品僅體相含有氧空位缺陷，表面無(wú)俘獲電子的物種。根據(jù)N-NTA-400 樣品的熒光光譜和吸收光譜數(shù)據(jù)可以推測(cè)確定，其禁帶內(nèi)子能帶的帶底與價(jià)帶頂相距1.87 eV，子能帶的帶頂與導(dǎo)帶底相距0.95 eV；在可見(jiàn)光激發(fā)下，子能帶上的電子先躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶的電子繼而再躍遷到子能

5、帶。表面被氮穩(wěn)定的缺陷能夠捕獲導(dǎo)帶電子，從而誘發(fā)光催化反應(yīng)。
　　 3.在空氣氣氛中600℃處理NTA 得到含有大量穩(wěn)定氧空位的新型TiO2(A)，再將新型TiO2(A)在氨氣氣氛中600℃處理得到N-摻雜新型TiO2(A)，評(píng)價(jià)了這兩種樣品光催化降解丙烯的活性。結(jié)果表明：新型TiO2(A)和N-摻雜新型TiO2(A)都具有紫外光催化活性；但前者對(duì)可見(jiàn)光呈惰性，而后者對(duì)丙烯具有可見(jiàn)光催化活性。對(duì)比分析暗態(tài)和可見(jiàn)光照下催化劑的ES

6、R 結(jié)果可知，N-摻雜新型TiO2(A)表面具有穩(wěn)定的未束縛電子的氧空位(Vo??)，可以捕獲可見(jiàn)光生電子，有利于光催化反應(yīng)；N-NTA系列催化劑可見(jiàn)光照下的ESR 結(jié)果表明催化劑表面可捕獲電子的Vo??濃度越高，其可見(jiàn)光催化活性越高。新型TiO2(A)和A-NTA-400表面都沒(méi)有電子俘獲陷阱，因而無(wú)可見(jiàn)光催化活性；兩種氮摻雜二氧化鈦的可見(jiàn)光催化活性均源于兩種氧空位的共同作用，摻雜的氮元素主要起穩(wěn)定表面氧空位的作用。
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7、.以NTA和H2PtCl6 為原料，通過(guò)退火處理制得了含有氧空位的表面擔(dān)載金屬鉑的Pt/TiO2-x系列可見(jiàn)光催化劑，分別考察了氧空位和擔(dān)載Pt 對(duì)其室溫下的可見(jiàn)光催化活性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)鉑的擔(dān)載量為3％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，Pt/TiO2-x催化劑的可見(jiàn)光催化活性最高；反應(yīng)溫度對(duì)其催化活性具有顯著影響，其對(duì)丙烯的降解率和生成CO2的選擇率均隨著溫度升高而明顯增大。動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明,3％ Pt/TiO2-X樣品可見(jiàn)光催化降解丙烯的